Interaction photon-photon

L'électrodynamique quantique montre que les photons ne peuvent pas se coupler directement entre eux et à un champ fermionique, conformément au théorème de Yang-Landau^[1],[2],[3], car ils ne portent aucune charge et il n'existe pas de sommet d'un diagramme de Feynman comportant 2 fermions et 2 bosons en raison des exigences de renormalisation. Cependant, ils peuvent interagir par des processus d'ordre supérieur ou se coupler directement entre eux dans un sommet comportant deux bosons W supplémentaires. En effet un photon peut, dans les limites du principe d'incertitude, fluctuer en une paire fermion-antifermion chargée virtuelle avec laquelle l'autre photon peut interagir. Cette paire de fermions peut être constituée de leptons ou de quarks. Ainsi, les expériences de physique à deux photons peuvent servir à étudier la structure du photon, ou, de manière métaphorique, ce qui se trouve « à l'intérieur » du photon.

Il existe trois processus d'interaction :

• « Direct » ou « ponctuel » : le photon se couple directement à un quark à l'intérieur du photon cible^[4]. Si une paire lepton–antilepton est créée, ce processus relève uniquement de l'électrodynamique quantique, mais si une paire quark–antiquark est créée, il implique à la fois l'électrodynamique et la chromodynamique quantique perturbative^[5],[6],[7].

La teneur intrinsèque en quarks du photon est décrite par la fonction de structure du photon (en), montrée expérimentalement dans des expériences diffusion électron-photon inélastique^[8],[9].

• Configuration simple : la paire de quarks du photon cible forme un méson vecteur. Le photon sonde se couple à un constituant de ce méson.
• Configuration double : les photons cible et sonde ont tous deux formé un méson vecteur. Il en résulte une interaction entre deux hadrons.

Dans les deux derniers cas, l'échelle de l'interaction est telle que la constante de couplage fort est élevée. Ceci est appelé « dominance du méson vectoriel (en) » et doit être modélisé en chromodynamique quantique non perturbative.

Les interactions photon-photon limitent le spectre des photons gamma observés à des distances cosmologiques modérées, à une énergie photonique inférieure à environ 20 GeV, c'est-à-dire à une longueur d'onde supérieure à environ 6,2 × 10⁻¹¹ m. Cette limite atteint environ 20 TeV aux distances intergalactiques^[10]. On pourrait prendre l'exemple de la lumière traversant un brouillard : à courte distance, une source lumineuse est plus visible qu'à longue distance du fait de la diffusion de la lumière par les particules de brouillard. De même, plus un rayon gamma parcourt de longues distances dans l'univers, plus il est susceptible d'être diffusé par une interaction avec un photon de faible énergie provenant de la lumière d'arrière-plan extragalactique. Cette interaction se traduit soit par la création de paires particule-antiparticule par production directe de paires, soit (plus rarement) par des phénomènes de diffusion photon-photon qui abaissent l'énergie des photons incidents. Cela rend l'univers opaque aux photons de très haute énergie pour des distances intergalactiques et cosmologiques.

La physique à deux photons peut être étudiée grâce à des accélérateurs de particules à haute énergie où les particules accélérées ne sont pas les photons eux-mêmes mais des particules chargées qui émettront des photons. Les études les plus significatives à ce jour ont été réalisées au grand collisionneur électron-positron du CERN. Si le transfert de masse transverse et donc la déviation (physique) sont importants un ou les deux électrons peuvent être détectés ; on parle alors de marquage. Les autres particules créées lors de l'interaction sont suivies par de grands détecteurs de particules afin de reconstituer la physique de l'interaction.

Les interactions photon-photon sont fréquemment étudiées par collisions ultrapériphériques^[11] d'ions lourds tels que l'or ou le plomb. Il s'agit de collisions où les noyaux en collision ne se touchent pas ; autrement dit, le paramètre d'impact ${\displaystyle b}$ est supérieur à la somme des rayons des noyaux. L'interaction forte entre les quarks composant les noyaux est ainsi fortement atténuée, rendant l'interaction électromagnétique photon-photon, plus faible, beaucoup plus visible. Dans ces collisions la forte charge des ions permet deux interactions indépendantes entre une même paire d'ions comme la production de deux paires électron-positon.

La diffusion photon-photon^[12] peut être étudiée en utilisant les champs électromagnétiques intenses des hadrons entrés en collision au Large Hadron Collider^[13],[14] où elle a été observée pour la première fois en 2016 par la collaboration ATLAS^[15],[16] et a ensuite été confirmée par la collaboration CMS^[17], y compris à des énergies élevées à deux photons^[18]. La meilleure contrainte sur la valeur basse de la section efficace de diffusion élastique photon–photon a été établie par PVLAS, qui a évalué une limite supérieure bien supérieure au niveau prédit par le modèle standard^[19].